Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL)

Эффективная туннельная проницаемость подзатворного окисла сильно зависит от величины электрического поля в окисле. Максимальное электрическое поле в окисле сосредоточено в области между затвором и стоком, поскольку в этой области максимальна разность потенциалов между двумя электродами.

Рассмотрим случай сильного смещения на стоке V_DS (~ V_DD) >> V_T и смещения на затворе меньше порогового V_GS (~0) < V_T. При этом между затвором и стоком появляется большая (порядка напряжения питания V_DD) разность потенциалов и возникает сильное электрическое поле в окисле. Это приводит к тому, что в области перекрытия стока затвором реализуется режим глубокого обеднения (рис.7.9). Если изгиб зон на поверхности превысит величину ≈1,12эВ, равную ширине запрещенной зоны кремния, возникает режим инверсии и появляется возможность прямого туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.7.10).

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости означает генерацию электронно-дырочных пар. При этом электроны движутся к электроду стока, а дырки уходят в подложку. Рассмотренный механизм возникновения тока утечки, индуцированный напряжением на затворе, называется GIDL – эффектом (Gate Induced Leakage Current). Поскольку все дырки, генерируемые межзонным туннелированием, уходят в подложку вследствие сильного латерального поля, обогащения поверхности дырками не происходит, и сохраняется режим глубокого обеднения.

С целью решения проблемы тока утечки были изучены транзисторы с различными структурами (рис. 7.11). В структуре SD отсутствует LDD область, в структуре ТOPS затвор полностью перекрывает LDD область, в структуре LDD − частично.

Типичные подпороговые характеристики трех рассматриваемых структур представлены на рис 7.12. Наибольший интерес представляют токи при V_g = 0 (при этом V_dg = 5В). Как следует из рисунка, структура с неполным перекрытием LDD области характеризуется очень низким GIDL-током, в то время как SD структура имеет ток утечки на 3 порядка больше.

Причины различия подпороговых характеристик трех рассматриваемых структур можно понять, рассмотрев квазидвумерную модель GIDL-тока.

Плотность туннельного тока, обусловленного туннелированием зона-зона очень сильно зависит от электрического поля (механизм Фаулера-Нордгейма (см. (7.3.3)). Электрическое поле Е_Т определяется векторной суммой вертикального Е_V (по оси x) и латерального Е_L (по оси y) полей:

. (7.6.1)

	Рис. 7.11. Экспериментальные структуры с различными профилем примеси в стоке и перекрытием стока затвором

Рис.7.12 Подпороговые ВАХ для приборных структур SD, TOPS и LDD. Vd = 5В, dox =8,5нм.

Вертикальное электрическое поле в полупроводнике на границе раздела оксид-кремний в точке y находится из закона Гаусса: , где Q_d − заряд в обедненной области полупроводника, y − текущая координата в горизонтальном направлении, отсчитываемая от края затвора. Предполагая условие полного обеднения, находим в точке y:

, (7.6.2)

то есть вертикальная составляющая электрического поля пропорциональна .

Из условия равенства электрических индукций на границе раздела окисел-кремний находим:

, (7.6.3)

где V_ox − напряжение на окисле, V_FB − напряжение плоских зон, d_ox − толщина окисла.

Приравнивая (7.6.2) и (7.6.3), получаем:

, (7.6.5)

где , , − удельная емкость окисла.

Латеральное электрическое поле находится дифференцированием (7.6.5) по у:

. (7.6.6)

Следовательно, латеральное электрическое поле пропорционально произведению величины поверхностного потенциала и относительного градиента распределения легирующей примеси в каждой точке у в области перекрытия стока затвором.

Из выражений (7.6.2) и (7.6.6) следует, что (при заданных толщине окисла и напряжения V_dg) на величину электрического поля оказывают главное влияние два фактора: концентрация примеси в стоке и ее градиент. При уменьшении концентрации примеси убывает вертикальное электрическое поле. В то же время при её увеличении существует некоторая критическая концентрация , при которой изгиб зон у поверхности становится недостаточным для туннелирования электронов (). Поэтому туннелирование происходит в очень узком диапазоне концентраций примеси.

Анализ показывает, что наименьшая величина результирующего электрического поля и наименьший GIDL-ток наблюдается в LDD структуре. Таким образом, использование LDD структуры с частичным перекрытием способно практически подавить GIDL-эффект. Однако не следует забывать, что LDD-область предназначена и для других целей, а именно подавления короткоканальных эффектов и борьбы с горячими носителями. Поэтому при оптимизации физической структуры наноэлектронных МОПТ с LDD проблемы GIDL-тока, надежность, обусловленная горячими носителями, нагрузочная способность по току, короткоканальные эффекты, а также паразитные компоненты (R_S и C_gd) должны рассматриваться совместно.